JP2014238960A - Metal oxide, negative electrode active material for sodium ion battery, negative electrode for sodium ion battery, and sodium ion battery - Google Patents

Metal oxide, negative electrode active material for sodium ion battery, negative electrode for sodium ion battery, and sodium ion battery Download PDF

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Shinichi Komaba
慎一 駒場
直明 藪内
Naoaki Yabuuchi
直明 藪内
浩司 宮本
Koji Miyamoto
浩司 宮本
佐藤 智洋
Tomohiro Sato
智洋 佐藤
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a negative electrode active material which allows a sodium ion battery having high safety and good battery performance to be manufactured.SOLUTION: A metal oxide comprises a lamellar crystal structure. The crystal structure has a transition metal layer including quadrivalent titanium. Using the metal oxide, a sodium ion battery having high safety and a good battery performance can be manufactured.

Description

本発明は、層状の結晶構造を有する金属酸化物、並びにこれを利用したナトリウムイオン電池用負極活物質、ナトリウムイオン電池用負極、及びナトリウムイオン電池に関する。   The present invention relates to a metal oxide having a layered crystal structure, a negative electrode active material for a sodium ion battery, a negative electrode for a sodium ion battery, and a sodium ion battery using the metal oxide.

リチウム二次電池は高エネルギー密度の二次電池であり、携帯電話やノートパソコン等の小型電源として既に実用化されている。また、リチウム二次電池は電気自動車、ハイブリッド自動車等の小型電源として既に実用化されている。また、リチウム二次電池は電気自動車、ハイブリッド自動車等の自動車用電源や分散型電力貯蔵用電源等の大型電源として使用可能であることから、その需要は増大しつつある。
しかしながら、リチウム二次電池にはリチウム等の稀少金属元素が使用されているため、リチウム二次電池の需要が増大した場合に、上記稀少金属元素の供給不安定が懸念される。
Lithium secondary batteries are high energy density secondary batteries that have already been put into practical use as small power sources for mobile phones, notebook computers and the like. Lithium secondary batteries have already been put into practical use as compact power sources for electric vehicles, hybrid vehicles, and the like. In addition, since lithium secondary batteries can be used as large-scale power sources such as power sources for automobiles such as electric vehicles and hybrid vehicles, and distributed power storage power sources, the demand is increasing.
However, since a rare metal element such as lithium is used in the lithium secondary battery, there is a concern about unstable supply of the rare metal element when the demand for the lithium secondary battery increases.

そこで、最近ではリチウムよりも豊富に存在するナトリウムを使ったナトリウム電池への注目が集まっており、ナトリウム電池に使用する正極活物質や負極活物質等の材料の研究も進められている。
例えば、特許文献1には、ジグザグ層状構造を持ったNaTiをナトリウムイオン電池の負極材料として利用する例が記載されている。
また、特許文献2には、Ruddlesden−Popper構造を有するYTiをナトリウムイオン電池用の活物質として利用することが記載されており、金属Naの析出を抑制できることが記載されている。
さらに、非特許文献1には、O3型構造のNaTiO型(0.7<x<1)をナトリウムイオン電池用活物質として利用することが記載されている。
Therefore, recently, attention has been focused on sodium batteries using sodium, which is more abundant than lithium, and research on materials such as a positive electrode active material and a negative electrode active material used in sodium batteries is also underway.
For example, Patent Document 1 describes an example in which Na 2 Ti 3 O 7 having a zigzag layered structure is used as a negative electrode material for a sodium ion battery.
Patent Document 2 describes that Y 2 Ti 2 O 5 S 2 having a Ruddleden-Popper structure is used as an active material for a sodium ion battery, and describes that precipitation of metal Na can be suppressed. ing.
Further, Non-Patent Document 1, it is described that utilize Na x TiO 2 type O3 type structure (0.7 <x <1) as an active material for a sodium ion battery.

国際公開第2013/004957号International Publication No. 2013/004957 特開2013−062121号公報JP 2013-062121 A

J.Inclusion Phenomena,1,45−51(1983)J. et al. Inclusion Phenomena, 1, 45-51 (1983)

ナトリウムイオン電池の代表的な負極活物質として、ハードカーボン等の炭素材料が知られているが、炭素材料では金属Naが析出し易く、安全性に問題がある。一方で、例えば特許文献1に記載されているようなNaTi等の複合金属酸化物を負極活物質として利用することもできるが、これらの材料では、初回の充放電によって生じる不可逆容量が大きく、二次電池としての十分な性能が得られないのが現状である。
即ち、本発明は、高い安全性と良好な電池性能を備えるナトリウムイオン電池を製造することができる負極活物質を提供することを課題とする。
As a typical negative electrode active material of a sodium ion battery, a carbon material such as hard carbon is known. However, in the case of a carbon material, metal Na is likely to be deposited, and there is a problem in safety. On the other hand, for example, composite metal oxides such as Na 2 Ti 3 O 7 described in Patent Document 1 can be used as the negative electrode active material, but these materials are irreversible caused by the first charge / discharge. At present, the capacity is large and sufficient performance as a secondary battery cannot be obtained.
That is, this invention makes it a subject to provide the negative electrode active material which can manufacture a sodium ion battery provided with high safety | security and favorable battery performance.

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、層状の結晶構造を有し、さらにその結晶構造が4価のTiを含む遷移金属層を有する金属酸化物が、ナトリウムイオン電池の負極活物質に非常に好適な材料であり、これを用いることによって高い安全性と良好な電池性能を備えるナトリウムイオン電池を製造することができることを見出し、本発明を完成させた。
即ち、本発明は以下の通りである。
As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have found that a metal oxide having a layered crystal structure and further having a transition metal layer containing tetravalent Ti in the crystal structure is sodium. It has been found that a sodium ion battery having a high safety and good battery performance can be produced by using this material, which is a very suitable material for the negative electrode active material of an ion battery, and the present invention has been completed.
That is, the present invention is as follows.

(1) 層状の結晶構造を有する金属酸化物であって、前記結晶構造が4価のTiを含む遷移金属層を有することを特徴とする、金属酸化物。
(2) 組成式が下記式(I)で表されるものである、(1)に記載の金属酸化物。
NaTi ・・・(I)
(式(I)中、x<1であり、0<a≦1/3、2/3≦b<1、0≦c<1/3、a+b+c=1である。AはLi及びMgから選ばれる少なくとも1種以上の元素であり、MはV、Cr、Fe、Mn、Co、Ni、Cu、Ca、Sn、及びZnから選ばれる少なくとも1種以上の元素であって、遷移金属層を構成するTiを置換しうるものである。)
(3) 前記結晶構造が、P2型構造、O3型構造、又はP3型構造である、(1)又は(2)に記載の金属酸化物。
(4)(1)〜(3)の何れかに記載の金属酸化物を含むことを特徴とするナトリウムイオン電池用負極活物質
(5) (4)に記載のナトリウムイオン電池用負極活物質を含むことを特徴とするナトリウムイオン電池用負極。
(6) (5)に記載のナトリウムイオン電池用負極を備えることを特徴とするナトリウムイオン電池。
(1) A metal oxide having a layered crystal structure, wherein the crystal structure has a transition metal layer containing tetravalent Ti.
(2) The metal oxide according to (1), wherein the composition formula is represented by the following formula (I).
Na x A a Ti b M c O 2 ··· (I)
(In Formula (I), x <1, 0 <a ≦ 1/3, 2/3 ≦ b <1, 0 ≦ c <1/3, a + b + c = 1. A is selected from Li and Mg. And at least one element selected from V, Cr, Fe, Mn, Co, Ni, Cu, Ca, Sn, and Zn, and constitutes a transition metal layer Ti can be substituted.)
(3) The metal oxide according to (1) or (2), wherein the crystal structure is a P2-type structure, an O3-type structure, or a P3-type structure.
(4) A negative electrode active material for a sodium ion battery (5) comprising the metal oxide according to any one of (1) to (3). A negative electrode active material for a sodium ion battery according to (4). A negative electrode for a sodium ion battery, comprising:
(6) A sodium ion battery comprising the negative electrode for sodium ion battery according to (5).

本発明によれば、安全性に優れ、初回の不可逆容量が極めて小さいナトリウムイオン電池を製造することができる。また、Tiが4価であるため、空気中でも比較的安定で、取扱いや保管が容易となり、生産性にも優れるナトリウムイオン電池を製造することができる。   According to the present invention, it is possible to manufacture a sodium ion battery that is excellent in safety and has a very small initial irreversible capacity. Further, since Ti is tetravalent, a sodium ion battery that is relatively stable even in air, can be easily handled and stored, and is excellent in productivity can be manufactured.

実施例1で作製した化合物1(Na0.68Li0.23Ti0.77)のXRD測定結果である。It is an XRD measurement result of the compound 1 produced in Example 1 (Na 0.68 Li 0.23 Ti 0.77 O 2). 実施例1で作製した電池の充放電曲線である。2 is a charge / discharge curve of the battery produced in Example 1. FIG. 実施例2で作製した化合物2(Na0.68Li0.23Ti0.77)のXRD測定結果である。Is an XRD measurement result of Example 2 was prepared with compound 2 (Na 0.68 Li 0.23 Ti 0.77 O 2). 実施例3で作製した化合物3(Na2/3Mg1/3Ti2/3)のXRD測定結果である。4 is an XRD measurement result of Compound 3 (Na 2/3 Mg 1/3 Ti 2/3 O 2 ) prepared in Example 3. 実施例3で作製した電池の充放電曲線である。3 is a charge / discharge curve of a battery produced in Example 3. FIG. 実施例4で作製した化合物4(Na2/3Mg1/3Ti2/3)のXRD測定結果である。It is an XRD measurement result of the compound 4 (Na 2/3 Mg 1/3 Ti 2/3 O 2 ) prepared in Example 4. 実施例4で作製した電池の充放電曲線である。4 is a charge / discharge curve of a battery produced in Example 4.

以下、本発明の実施形態について説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. In addition, this invention is not limited to the following embodiment.

<金属酸化物>
本発明の金属酸化物は、層状の結晶構造を有し、さらにその結晶構造が4価のTiを含む遷移金属層を有することを特徴とする。
ナトリウムイオン電池における負極活物質として、NaとTiを含んだ複合金属酸化物
を利用することができることが報告されているが、これらの金属酸化物では初回の充放電によって生じる不可逆容量が非常に大きく、二次電池としての十分な性能が得られないのが現状であった。本発明者らは、層状の結晶構造を有する金属酸化物であって、その結晶構造が4価のTiを含む遷移金属層を有するものをナトリウムイオン電池の負極活物質として利用することにより、不可逆容量を著しく抑えることができることを見出した。これは安定な層状構造を有するため、充放電に伴う構造変化が小さく、活物質の割れ等に伴う過剰な副反応を低減させているためであると推定している。また、かかる金属酸化物は、炭素材料に比べて高電位で作動させることができるため、金属Naが析出しにくい利点もある。さらにTiが4価であるため、空気中でも比較的安定で、取扱いや保管が容易となり、結果電池の生産性を改善することができる。即ち、本発明の金属酸化物は、ナトリウムイオン電池用の負極活物質に非常に好適な材料なのである。
なお、「層状の結晶構造を有する」及び「結晶構造が4価のTiを含む遷移金属層を有する」とは、遷移金属原子や酸素原子(カウンターアニオン)がそれぞれ平面状配列して層構造を形成しており、その遷移金属層が4価のTi原子を少なくとも含むことを意味する。
<Metal oxide>
The metal oxide of the present invention has a layered crystal structure, and the crystal structure further includes a transition metal layer containing tetravalent Ti.
It has been reported that a composite metal oxide containing Na and Ti can be used as a negative electrode active material in a sodium ion battery, but the irreversible capacity generated by the first charge / discharge is very large in these metal oxides. At present, sufficient performance as a secondary battery cannot be obtained. The present inventors have made it irreversible by using a metal oxide having a layered crystal structure, the crystal structure of which has a transition metal layer containing tetravalent Ti, as a negative electrode active material of a sodium ion battery. It has been found that the capacity can be significantly reduced. It is presumed that this is because the structure has a stable layered structure, so that the structural change accompanying charging / discharging is small, and excessive side reactions accompanying cracking of the active material are reduced. Moreover, since such a metal oxide can be operated at a higher potential than a carbon material, there is an advantage that metal Na is not easily precipitated. Further, since Ti is tetravalent, it is relatively stable even in the air, and handling and storage become easy, and as a result, the productivity of the battery can be improved. That is, the metal oxide of the present invention is a material that is very suitable for a negative electrode active material for sodium ion batteries.
In addition, “having a layered crystal structure” and “having a transition metal layer containing tetravalent Ti” means that the transition metal atom and oxygen atom (counter anion) are arranged in a plane to form a layer structure. It means that the transition metal layer contains at least tetravalent Ti atoms.

本発明の金属酸化物は、層状の結晶構造を有し、さらにその結晶構造が4価のTiを含む遷移金属層を有するものであれば、具体的な組成は特に限定されないが、下記一般式(I)で表させるものが好ましい。
NaTi ・・・(I)
(式(I)中、x<1であり、0<a≦1/3、2/3≦b<1、0≦c<1/3、a+b+c=1である。AはLi及びMgから選ばれる少なくとも1種以上の元素であり、MはV、Cr、Fe、Mn、Co、Ni、Cu、Ca、Sn、及びZnから選ばれる少なくとも1種以上の元素であって、遷移金属層を構成するTiを置換しうるものである。)
一般式(I)で表される金属酸化物であれば、YやNd等のレアメタルを使用しないため、電池のコストを抑えることができる。
式(I)中のx、a、b、cは、上記条件を満たすものであれば具体的数値は特に限定されないが、xは好ましくは0.8以下(x≦0.8)、より好ましくは0.7以下(x≦0.7)であり、通常は0より大きい値(0<x)である。aは好ましくは0.05以上(a≧0.05)、より好ましくは0.1以上(a≧0.1)である。bは好ましくは0.95以下(b≦0.95)、より好ましくは0.9以下(b≦0.9)である。cは必ずしも含有する必要はないが、Tiを4価に保ち、層状構造を安定化させるために、好ましくは0.2以下(c≦0.2)、より好ましくは0.1以下(c≦0.1)である。上記範囲内であれば、良好な電池性能を有するナトリウムイオン電池を製造することができる。
また、Mとしては、V、Cr、Mn、Feから選ばれる少なくとも1種以上の元素が好ましく、V、Cr、Feから選ばれる少なくとも1種以上の元素がより好ましい。
なお、「AはLi及びMgから選ばれる少なくとも1種以上の元素」であるが、AがLiとMgの組み合せである場合は、bはLiとMgの比の合計値を表すものとする。
また、「MはV、Cr、Fe、Mn、Co、Ni、Cu、Ca、Sn、及びZnから選ばれる少なくとも1種以上の元素」であるが、Mが複数の元素の組み合せである場合は、cはMを構成する各元素の比の合計値を表すものとする。
なお、Mは「遷移金属層を構成するTiを置換しうるものである」が、これは平面上配列したTi層の一部がMに置き換えられた場合であっても、層状の結晶構造を安定的に維持することができる金属酸化物であることを意味する。即ち、例えば一部のTiをMに置き換えた場合に、結晶構造が不安定となり、層状の結晶構造が壊れてしまうような元素はMとなり得ないことを意味する。
The metal oxide of the present invention has a layered crystal structure, and the specific composition is not particularly limited as long as the crystal structure has a transition metal layer containing tetravalent Ti. What is represented by (I) is preferable.
Na x A a Ti b M c O 2 ··· (I)
(In Formula (I), x <1, 0 <a ≦ 1/3, 2/3 ≦ b <1, 0 ≦ c <1/3, a + b + c = 1. A is selected from Li and Mg. And at least one element selected from V, Cr, Fe, Mn, Co, Ni, Cu, Ca, Sn, and Zn, and constitutes a transition metal layer Ti can be substituted.)
If it is a metal oxide represented by general formula (I), since rare metals, such as Y and Nd, are not used, the cost of a battery can be held down.
The specific numerical values of x, a, b and c in the formula (I) are not particularly limited as long as the above conditions are satisfied, but x is preferably 0.8 or less (x ≦ 0.8), more preferably Is 0.7 or less (x ≦ 0.7), and is usually greater than 0 (0 <x). a is preferably 0.05 or more (a ≧ 0.05), more preferably 0.1 or more (a ≧ 0.1). b is preferably 0.95 or less (b ≦ 0.95), more preferably 0.9 or less (b ≦ 0.9). Although c is not necessarily contained, it is preferably 0.2 or less (c ≦ 0.2), more preferably 0.1 or less (c ≦ 0.2) in order to keep the Ti tetravalent and stabilize the layered structure. 0.1). If it is in the said range, the sodium ion battery which has favorable battery performance can be manufactured.
M is preferably at least one element selected from V, Cr, Mn, and Fe, and more preferably at least one element selected from V, Cr, and Fe.
“A is at least one element selected from Li and Mg”, but when A is a combination of Li and Mg, b represents the total value of the ratio of Li and Mg.
Also, “M is at least one element selected from V, Cr, Fe, Mn, Co, Ni, Cu, Ca, Sn, and Zn”, but when M is a combination of a plurality of elements, , C represents the total value of the ratio of each element constituting M.
Note that M is “which can replace Ti constituting the transition metal layer”, but even if a part of the Ti layer arranged on the plane is replaced by M, the layered crystal structure is changed. It means a metal oxide that can be stably maintained. That is, for example, when a part of Ti is replaced with M, an element whose crystal structure becomes unstable and the layered crystal structure is broken cannot be M.

本発明の金属酸化物は、層状の結晶構造を有するものである。具体的な結晶構造としてはP2型構造、O3型構造、及びP3型構造が挙げられるが具体的な結晶構造の種類はこ
れに限定されるものではない。この中でも、P2型構造の負極活物質が特に好ましい。なお、P2型構造を有するものの代表的な結晶系としては、その対称性から空間群P6/mmcに帰属される。また、さらに対称性が低下する場合にはCmcmなど斜方晶さらにはC2/mなど単斜晶系の空間群に帰属可能な場合もあるが、基本的な構造にはP2型に分類される層状構造である。ただし、P2型構造を母構造として、P3型やO3型の積層欠陥が起こることもある。
なお、本発明の金属酸化物が、P2型構造を有するか否かについては、XRD測定により確認することができる。具体的には実施例に記載の方法で確認することができる。
The metal oxide of the present invention has a layered crystal structure. Specific crystal structures include a P2 type structure, an O3 type structure, and a P3 type structure, but the specific types of crystal structures are not limited to these. Among these, a negative electrode active material having a P2 type structure is particularly preferable. A typical crystal system having a P2 type structure is attributed to the space group P6 3 / mmc because of its symmetry. In addition, when the symmetry further decreases, it may be assigned to an orthorhombic space group such as Cmcm and further to a monoclinic space group such as C2 / m, but the basic structure is classified as P2 type. It is a layered structure. However, P3 type and O3 type stacking faults may occur using the P2 type structure as a base structure.
Whether or not the metal oxide of the present invention has a P2 type structure can be confirmed by XRD measurement. Specifically, it can confirm by the method as described in an Example.

(平均一次粒子径)
本発明の金属酸化物の平均径(平均一次粒子径)は、特に限定されないが、下限としては、好ましくは0.1μm以上、より好ましくは0.2μm以上、また、上限としては、好ましくは20μm以下、より好ましくは10μm以下である。平均一次粒子径が、上記上限を超えると比表面積が低下したりするために、レート特性や出力特性等の電池特性が低下する可能性が高くなる可能性がある。上記下限を下回ると結晶が未発達であるために充放電の可逆性が劣る等の問題を生ずる可能性がある。
なお、本発明における平均一次粒子径は、走査型電子顕微鏡(SEM)で観察した平均径であり、30,000倍のSEM画像を用いて、10〜30個程度の一次粒子径の平均値として求めることができる。
(Average primary particle size)
The average diameter (average primary particle diameter) of the metal oxide of the present invention is not particularly limited, but the lower limit is preferably 0.1 μm or more, more preferably 0.2 μm or more, and the upper limit is preferably 20 μm. Below, more preferably 10 μm or less. If the average primary particle diameter exceeds the above upper limit, the specific surface area may decrease, so that there is a possibility that battery characteristics such as rate characteristics and output characteristics may be decreased. If the lower limit is not reached, there is a possibility that problems such as inferior reversibility of charge / discharge due to the undeveloped crystals.
In addition, the average primary particle diameter in this invention is an average diameter observed with the scanning electron microscope (SEM), and is used as an average value of about 10-30 primary particle diameters using the SEM image of 30,000 times. Can be sought.

(メジアン径(二次粒子))
本発明の金属酸化物の二次粒子のメジアン径(50%積算径(D50))は、特に限定されないが、通常2μm以上、好ましくは2.5μm以上、最も好ましくは4μm以上で、通常50μm以下、好ましくは30μm以下、最も好ましくは20μm以下である。メジアン径がこの下限を下回ると、負極活物質層形成時の塗布性に問題を生ずる可能性があり、上限を超えると電池性能の低下を来す可能性がある。
(Median diameter (secondary particles))
The median diameter (50% cumulative diameter (D 50 )) of the secondary particles of the metal oxide of the present invention is not particularly limited, but is usually 2 μm or more, preferably 2.5 μm or more, most preferably 4 μm or more, and usually 50 μm. Hereinafter, it is preferably 30 μm or less, and most preferably 20 μm or less. If the median diameter is less than this lower limit, there is a possibility that a problem occurs in the coating property at the time of forming the negative electrode active material layer, and if it exceeds the upper limit, battery performance may be lowered.

(BET比表面積)
本発明の金属酸化物のBET比表面積は、特に限定されないが、通常0.1m/g以上、好ましくは0.2m/g以上、最も好ましくは0.3m/g以上で、通常10m/g以下、好ましくは5m/g以下、より好ましくは3m/g以下、更に好ましくは2m/g以下、最も好ましくは1m/g以下である。BET比表面積がこの範囲よりも小さいと電池性能が低下しやすく、大きいと嵩密度が上がりにくくなり、負極活物質層形成時の塗布性に問題が発生しやすくなるという可能性がある。
(BET specific surface area)
The BET specific surface area of the metal oxide of the present invention is not particularly limited, but is usually 0.1 m 2 / g or more, preferably 0.2 m 2 / g or more, most preferably 0.3 m 2 / g or more, usually 10 m. 2 / g or less, preferably 5 m 2 / g or less, more preferably 3 m 2 / g or less, still more preferably 2 m 2 / g or less, and most preferably 1 m 2 / g or less. If the BET specific surface area is smaller than this range, the battery performance is likely to be lowered, and if it is larger, the bulk density is difficult to increase, and there is a possibility that a problem is likely to occur in the applicability when forming the negative electrode active material layer.

(タップ密度)
本発明の金属酸化物のタップ密度は、特に限定されないが、通常0.8g/cc以上、好ましくは1g/cc以上、より好ましくは1.4g/cc以上、最も好ましくは1.5g/cc以上で、通常3.0g/cc以下、好ましくは2.8g/cc以下、最も好ましくは2.7g/cc以下である。タップ密度がこの上限を上回ることは、粉体充填性や電極密度向上にとって好ましい一方、比表面積が低くなり過ぎる可能性があり、電池性能が低下する可能性がある。タップ密度がこの下限を下回ると粉体充填性や負極調製に悪影響を及ぼす可能性がある。
なお、本発明におけるタップ密度は、金属酸化物粉体5〜10gを10mlのメスシリンダーに入れ、ストローク20mmで200回タップした時の粉体充填密度として求める。
(Tap density)
The tap density of the metal oxide of the present invention is not particularly limited, but is usually 0.8 g / cc or more, preferably 1 g / cc or more, more preferably 1.4 g / cc or more, most preferably 1.5 g / cc or more. In general, it is 3.0 g / cc or less, preferably 2.8 g / cc or less, and most preferably 2.7 g / cc or less. While it is preferable for the tap density to exceed this upper limit for improving powder filling properties and electrode density, the specific surface area may be too low, and battery performance may be reduced. If the tap density is below this lower limit, there is a possibility that the powder filling property and the negative electrode preparation may be adversely affected.
The tap density in the present invention is determined as the powder packing density when 5 to 10 g of metal oxide powder is put in a 10 ml measuring cylinder and tapped 200 times with a stroke of 20 mm.

(金属酸化物の製造方法)
本発明の金属酸化物は、層状の結晶構造を有し、4価のTiを含む遷移金属層を有するものであれば、その製造方法は特に限定されない。例えばNa源となる原料と、Li源あ
るいはMg源となる原料と、Ti源となる原料を実施例記載の組成比となるように混合し、これを空気雰囲気中で焼成することによって製造することができ、その他Ti、Na等の組成比を適宜調節することによって、4価のTiを含む遷移金属層をもった層状の結晶構造を有する金属酸化物を製造することができる。また得られた化合物を大気開放あるいは水洗浄処理する工程を追加することができる。以下、かかる製造方法について、より具体的に説明するが、これらの方法に限定されないことは言うまでもない。
(Method for producing metal oxide)
The metal oxide of the present invention is not particularly limited as long as it has a layered crystal structure and a transition metal layer containing tetravalent Ti. For example, a raw material that becomes a Na source, a raw material that becomes a Li source or Mg source, and a raw material that becomes a Ti source are mixed so as to have the composition ratio described in the examples, and are manufactured by firing in an air atmosphere. In addition, by appropriately adjusting the composition ratio of Ti, Na, etc., a metal oxide having a layered crystal structure having a transition metal layer containing tetravalent Ti can be produced. In addition, it is possible to add a step of subjecting the obtained compound to atmospheric release or water washing treatment. Hereinafter, the manufacturing method will be described more specifically, but it is needless to say that the manufacturing method is not limited to these methods.

本発明の金属酸化物を製造するために用いる原料の種類は、特に限定されないが、導入したい金属元素を含有する酸化物、水酸化物、オキシ水酸化物、炭酸水素塩、炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩、ハロゲン化物、シュウ酸塩等の有機酸塩、アルコキサイドが挙げられる。
例えば、Ti源となるTi含有化合物としては、アナターゼ型TiO、ルチル型TiO、Ti(OC等が挙げられるが、取り扱い性と反応性の観点でアナターゼ型TiOが好ましい。
Na源となるNa含有化合物としては、NaCO、NaHCO、Naが挙げられるが、取り扱い性の観点でNaCOが好ましい。
Mg源となるMg含有化合物としては、MgO、Mg(OH)、MgCO等が挙げられるが、取扱い性の観点でMgOが好ましい。
The type of raw material used for producing the metal oxide of the present invention is not particularly limited, but includes oxides, hydroxides, oxyhydroxides, hydrogencarbonates, carbonates, nitrates containing metal elements to be introduced. Examples thereof include organic acid salts such as sulfates, halides and oxalates, and alkoxides.
For example, examples of the Ti-containing compound serving as the Ti source include anatase TiO 2 , rutile TiO 2 , and Ti (OC 2 H 5 ) 4. Anatase TiO 2 is preferable from the viewpoints of handling and reactivity. .
Examples of the Na-containing compound that serves as the Na source include Na 2 CO 3 , NaHCO 3 , and Na 2 O 2 , and Na 2 CO 3 is preferable from the viewpoint of handleability.
Examples of the Mg-containing compound that serves as the Mg source include MgO, Mg (OH) 2 , and MgCO 3 , and MgO is preferable from the viewpoint of handleability.

本発明の金属酸化物を目的の組成・結晶構造に調整するためには、Ti含有化合物と導入したい金属元素を含有する化合物を目的の比率になるように秤量した上で、混合する。
例えば、Na0.68Li0.23Ti0.77を製造する場合、NaCO、LiCO、TiOをモル比が0.34:0.115:0.77になるように秤量した上で混合することが挙げられる。
なお、Ti含有化合物等の混合には、ボールミル、V型混合機、攪拌機、ダイノーミル等の、工業的に通常用いられている装置を用いることができる。この時の混合は、乾式混合、湿式混合のいずれでもよい。また、晶析法によって、所定の組成の金属含有化合物の混合物を得てもよい。さらに、共沈法によって、所定の組成の複合金属炭酸塩または水酸化物を得た上でナトリウム化合物との混合物を得てもよい。
具体的な混合条件は特に限定されないが、例えば湿式ボールミルを用いた場合、通常回転数は10〜1000rpm、混合時間は1〜24時間である。
In order to adjust the metal oxide of the present invention to a target composition / crystal structure, a Ti-containing compound and a compound containing a metal element to be introduced are weighed to a target ratio and mixed.
For example, when manufacturing Na 0.68 Li 0.23 Ti 0.77 O 2 , Na 2 CO 3, Li 2 CO 3, TiO 2 molar ratio of 0.34: 0.115: it becomes 0.77 And mixing after weighing.
In addition, for mixing Ti-containing compounds and the like, industrially usual apparatuses such as a ball mill, a V-type mixer, a stirrer, and a dyno mill can be used. The mixing at this time may be either dry mixing or wet mixing. Moreover, you may obtain the mixture of the metal containing compound of a predetermined composition by the crystallization method. Furthermore, you may obtain the mixture with a sodium compound, after obtaining the composite metal carbonate or hydroxide of a predetermined composition by a coprecipitation method.
Specific mixing conditions are not particularly limited. For example, when a wet ball mill is used, the rotation speed is usually 10 to 1000 rpm, and the mixing time is 1 to 24 hours.

本発明の金属酸化物を製造するための焼成条件は、金属酸化物の組成等に応じて適宜設定されるべきであるが、通常焼成温度は700〜1000℃、焼成時間は2〜24時間である。焼成温度が750℃以上であれば、過度な積層欠陥の生成を抑制するという理由で好ましく、焼成温度が900℃以下であれば、一次粒子サイズを低減するという理由で好ましい。また、焼成時間が12時間以上であれば単一粒子の均一な化学組成を得るという理由で好ましく、焼成時間が24時間以下であれば低温で積層欠陥を維持したまま結晶成長を行わせることも可能になるという理由で好ましい。   The firing conditions for producing the metal oxide of the present invention should be appropriately set according to the composition of the metal oxide and the like. Usually, the firing temperature is 700 to 1000 ° C., and the firing time is 2 to 24 hours. is there. A firing temperature of 750 ° C. or higher is preferable for suppressing the generation of excessive stacking faults, and a baking temperature of 900 ° C. or lower is preferable for reducing the primary particle size. Further, if the firing time is 12 hours or more, it is preferable because a uniform chemical composition of single particles is obtained. If the firing time is 24 hours or less, crystal growth can be performed while maintaining stacking faults at a low temperature. This is preferable because it becomes possible.

焼成時の雰囲気としては、例えば、窒素、アルゴン等の不活性雰囲気:空気、酸素、酸素含有窒素、酸素含有アルゴン等の酸化性雰囲気:及び水素を0.1〜10体積%含有する水素含有窒素、水素を0.1〜10体積%含有する水素含有アルゴン等の還元性雰囲気のいずれでもよい。強い還元性の雰囲気で焼成するために、適量の炭素を金属含有化合物の混合物に含有させて焼成してもよい。Tiを4価の状態で得るために焼成時の雰囲気としては、空気等の酸化性雰囲気が好ましい。還元性雰囲気で焼成した場合は続いて空気雰囲気での焼成、あるいは大気開放を行うことが好ましい。   Examples of the atmosphere during firing include an inert atmosphere such as nitrogen and argon: an oxidizing atmosphere such as air, oxygen, oxygen-containing nitrogen, and oxygen-containing argon: and hydrogen-containing nitrogen containing 0.1 to 10% by volume of hydrogen. Any reducing atmosphere such as hydrogen-containing argon containing 0.1 to 10% by volume of hydrogen may be used. In order to fire in a strong reducing atmosphere, an appropriate amount of carbon may be contained in a mixture of metal-containing compounds and fired. In order to obtain Ti in a tetravalent state, the atmosphere during firing is preferably an oxidizing atmosphere such as air. When firing in a reducing atmosphere, it is preferable to subsequently perform firing in an air atmosphere or release to the atmosphere.

原料の金属含有化合物として、高温で分解及び/又は酸化しうる化合物、例えば水酸化物、炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩、ハロゲン化物、シュウ酸塩を使用した場合、上記の焼成を行う前に、200〜500℃の温度範囲で金属含有化合物の仮焼を行って、酸化物にした
り、結晶水を除去したりしてもよい。仮焼を行う雰囲気は、不活性ガス雰囲気、酸化性雰囲気又は還元性雰囲気のいずれでもよい。また、仮焼後の仮焼物を粉砕して用いてもよい。
When a compound that can be decomposed and / or oxidized at a high temperature, such as a hydroxide, carbonate, nitrate, sulfate, halide, or oxalate, is used as a raw material metal-containing compound, before performing the above firing, The metal-containing compound may be calcined in the temperature range of 200 to 500 ° C. to obtain an oxide or crystal water may be removed. The atmosphere in which the calcination is performed may be an inert gas atmosphere, an oxidizing atmosphere, or a reducing atmosphere. Moreover, you may grind | pulverize and use the calcined material after calcining.

また、上記のようにして得られる複合金属酸化物に、随意にボールミルやジェットミル等を用いた粉砕、分級等を行って、粒度を調節することが好ましいことがある。また、焼成を2回以上行ってもよい。また、複合金属酸化物の粒子表面をW、Mo、Zr、Si、Y、B等を含有する無機物質で被覆する等の表面処理を行ってもよい。また、複合金属酸化物は、その結晶構造がトンネル構造でないものが好ましい。   In addition, it may be preferable to adjust the particle size by optionally subjecting the composite metal oxide obtained as described above to pulverization and classification using a ball mill, a jet mill or the like. Moreover, you may perform baking twice or more. Further, a surface treatment such as coating the particle surface of the composite metal oxide with an inorganic substance containing W, Mo, Zr, Si, Y, B or the like may be performed. The composite metal oxide preferably has a crystal structure that is not a tunnel structure.

<ナトリウムイオン電池用負極活物質・ナトリウムイオン電池用負極>
本発明の金属酸化物は、ナトリウムイオン電池の負極活物質として特に好適な材料であるが、本発明の金属酸化物を含むナトリウムイオン電池用負極活物質(以下、「本発明の負極活物質」と略す場合がある。)、さらに本発明の負極活物質を含むナトリウムイオン電池用負極(以下、「本発明の負極」と略す場合がある。)もまた本発明の一態様である。
なお、本発明の負極は、本発明の金属酸化物を含むものであればその他は限定されないが、通常、負極活物質、導電剤、結着剤等を含む負極活物質層を集電体表面に形成したものである。
<Anode active material for sodium ion battery / Anode for sodium ion battery>
The metal oxide of the present invention is a particularly suitable material as a negative electrode active material for a sodium ion battery. However, the negative electrode active material for a sodium ion battery containing the metal oxide of the present invention (hereinafter “the negative electrode active material of the present invention”). In addition, a negative electrode for a sodium ion battery (hereinafter sometimes abbreviated as “negative electrode of the present invention”) containing the negative electrode active material of the present invention is also an embodiment of the present invention.
The negative electrode of the present invention is not limited as long as it contains the metal oxide of the present invention. Usually, the negative electrode active material layer containing a negative electrode active material, a conductive agent, a binder and the like is provided on the surface of the current collector. Is formed.

本発明の負極活物質は、前述の金属酸化物を含むものであれば、その他の公知の負極活物質を含むものであってもよい。例えばナトリウムイオンを吸蔵・脱離することのできる天然黒鉛、人造黒鉛、コークス類、ハードカーボン、カーボンブラック、熱分解炭素類、炭素繊維、有機高分子化合物焼成体等の炭素材料が挙げられる。炭素材料の形状としては、例えば天然黒鉛のような薄片状、メソカーボンマイクロビーズのような球状、黒鉛化炭素繊維のような繊維状、又は微粉末の凝集体等のいずれでもよい。ここで炭素材料は、導電材としての役割を果たす場合もある。   The negative electrode active material of the present invention may contain other known negative electrode active materials as long as it contains the above-described metal oxide. Examples thereof include carbon materials such as natural graphite, artificial graphite, coke, hard carbon, carbon black, pyrolytic carbon, carbon fiber, and organic polymer compound fired body that can occlude and desorb sodium ions. The shape of the carbon material may be any of a flake shape such as natural graphite, a spherical shape such as mesocarbon microbeads, a fibrous shape such as graphitized carbon fiber, or an aggregate of fine powder. Here, the carbon material may play a role as a conductive material.

負極活物質層中の負極活物質の含有量は特に限定されないが、80〜95重量%であることが好ましい。   Although content of the negative electrode active material in a negative electrode active material layer is not specifically limited, It is preferable that it is 80 to 95 weight%.

結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン(以下、PVDFということがある。)ポリテトラフルオロエチレン(以下、PTFEということがある。)、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン・フッ化ビニリデン系共重合体、六フッ化プロピレン・フッ化ビニリデン系共重合体、四フッ化エチレン・パーフルオロビニルエーテル系共重合体等が挙げられる。これらをそれぞれ単独で用いてもよいし、二種以上を混合して用いてもよい。結着剤のその他の例示としては、例えば、デンプン、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、カルボキシメチルヒドロキシエチルセルロース、ニトロセルロース等の多糖類及びその誘導体が挙げられる。また、使用可能な結着剤として、無機の微粒子、例えばコロイダルシリカ等を挙げることもできる。負極活物質層中の結着剤の含有量は特に限定されないが、5〜10質量%であることが好ましい。   Examples of the binder include polyvinylidene fluoride (hereinafter sometimes referred to as PVDF), polytetrafluoroethylene (hereinafter sometimes referred to as PTFE), tetrafluoroethylene, hexafluoropropylene, and vinylidene fluoride copolymer. Examples thereof include a copolymer, a hexafluoropropylene / vinylidene fluoride copolymer, and a tetrafluoroethylene / perfluorovinyl ether copolymer. These may be used alone or in combination of two or more. Other examples of the binder include polysaccharides such as starch, methylcellulose, carboxymethylcellulose, hydroxymethylcellulose, hydroxyethylcellulose, hydroxypropylcellulose, carboxymethylhydroxyethylcellulose, and nitrocellulose and derivatives thereof. Examples of usable binders include inorganic fine particles such as colloidal silica. Although content of the binder in a negative electrode active material layer is not specifically limited, It is preferable that it is 5-10 mass%.

集電体としては、ニッケル、アルミニウム、銅、ステンレス(SUS)等の導電性の材料を用いた箔、メッシュ、エキスパンドグリッド(エキスパンドメタル)、パンチドメタル等が挙げられる。メッシュの目開き、線径、メッシュ数等は特に限定されず、従来公知のものを使用できる。集電体の一般的な厚さは5〜30μmである。ただし、この範囲を外れる厚さの集電体を用いてもよい。   Examples of the current collector include foil, mesh, expanded grid (expanded metal), punched metal, and the like using a conductive material such as nickel, aluminum, copper, and stainless steel (SUS). The mesh opening, wire diameter, number of meshes, etc. are not particularly limited, and conventionally known ones can be used. The general thickness of the current collector is 5 to 30 μm. However, a current collector having a thickness outside this range may be used.

集電体の大きさは、電池の使用用途に応じて決定される。大型の電池に用いられる大型
の電極を作製するのであれば、面積の大きな集電体が用いられる。小型の電極を作製するのであれば、面積の小さな集電体が用いられる。
The size of the current collector is determined according to the intended use of the battery. If a large electrode used for a large battery is manufactured, a current collector having a large area is used. If a small electrode is produced, a current collector with a small area is used.

負極を製造する方法としては、先ず、負極活物質と導電材と結着剤と有機溶媒とを混合させて負極活物質スラリーを調製する。ここで使用可能な有機溶剤としては、N,N−ジメチルアミノプロピリアミン、ジエチルトリアミン等のアミン系;エチレンオキシド、テトラヒドロフラン等のエーテル系;メチルエチルケトン等のケトン系;酢酸メチル等のエステル系、ジメチルアセトアミド、N-メチル−2−ピロリドン等の非プロトン性極性溶媒等が挙げられる。   As a method for producing a negative electrode, first, a negative electrode active material, a conductive material, a binder, and an organic solvent are mixed to prepare a negative electrode active material slurry. Examples of organic solvents that can be used here include amines such as N, N-dimethylaminopropylamine and diethyltriamine; ethers such as ethylene oxide and tetrahydrofuran; ketones such as methyl ethyl ketone; esters such as methyl acetate; dimethylacetamide And aprotic polar solvents such as N-methyl-2-pyrrolidone.

次いで、上記負極活物質スラリーを負極集電体上に塗工し、乾燥後プレスする等して固着する。ここで、負極活物質スラリーを負極集電体上に塗工する方法としては、例えばスリットダイ塗工法、スクリーン塗工法、カーテン塗工法、ナイフ塗工法、グラビア塗工法、静電スプレー法等を挙げることができる。   Next, the negative electrode active material slurry is coated on the negative electrode current collector, and dried and pressed to fix the slurry. Here, examples of the method of coating the negative electrode active material slurry on the negative electrode current collector include a slit die coating method, a screen coating method, a curtain coating method, a knife coating method, a gravure coating method, and an electrostatic spray method. be able to.

なお、負極活物質層を負極集電体上に形成する方法としては、上記の方法以外に、負極活物質、導電材、結着剤の混合物を負極集電体上に設置し、加圧成型する方法でもよい。   As a method for forming the negative electrode active material layer on the negative electrode current collector, in addition to the above method, a mixture of the negative electrode active material, the conductive material, and the binder is placed on the negative electrode current collector, and pressure molding is performed. It is also possible to do it.

<ナトリウムイオン電池>
本発明の負極を備えたナトリウムイオン電池も本発明の一態様(以下、「本発明のナトリウムイオン電池」と略す場合がある。)である。なお、本発明のナトリウムイオン電池は、上述の負極を備えるものであればその他は限定されないが、通常負極のほか、ナトリウムイオンを吸蔵及び脱離することができる正極と、電解質とを備える。
<Sodium ion battery>
The sodium ion battery provided with the negative electrode of the present invention is also an embodiment of the present invention (hereinafter may be abbreviated as “sodium ion battery of the present invention”). The sodium ion battery of the present invention is not particularly limited as long as it includes the above-described negative electrode, but generally includes a positive electrode capable of inserting and extracting sodium ions and an electrolyte in addition to the negative electrode.

[正極]
正極は集電体と、その集電体の表面に形成された正極活物質層を含み、正極活物質層は、正極活物質、導電材、結着剤を有する。
[Positive electrode]
The positive electrode includes a current collector and a positive electrode active material layer formed on the surface of the current collector. The positive electrode active material layer includes a positive electrode active material, a conductive material, and a binder.

正極活物質の種類は、ナトリウムイオン電池に使用できるものであれば特に限定されないが、具体的には層状活物質、スピネル型活物質、オリビン型活物質等を挙げることができる。例えば、NaFeO、NaNiO、NaCoO、NaMnO、NaVO、Na(NiMn1−X)O(0<X<1)、Na(FeMn1−X)O(0<X<1)、NaVPOF、NaFePOF、Na(PO等を挙げることができる。 Although the kind of positive electrode active material will not be specifically limited if it can be used for a sodium ion battery, Specifically, a layered active material, a spinel type active material, an olivine type active material etc. can be mentioned. For example, NaFeO 2, NaNiO 2, NaCoO 2, NaMnO 2, NaVO 2, Na (Ni X Mn 1-X) O 2 (0 <X <1), Na (Fe X Mn 1-X) O 2 (0 < X <1), NaVPO 4 F, Na 2 FePO 4 F, Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 and the like.

正極活物質層中の正極活物質の含有量は特に限定されないが、80〜95質量%であることが好ましい。   Although content of the positive electrode active material in a positive electrode active material layer is not specifically limited, It is preferable that it is 80-95 mass%.

正極における導電材、結着剤等の種類、並びに正極活物質層を集電体上に形成する方法は、負極を製造する際に使用するもの及び方法と同様のものを採用することができる。   As the method for forming the positive electrode active material layer on the current collector and the kind of the conductive material, the binder and the like in the positive electrode, the same ones and methods used when manufacturing the negative electrode can be adopted.

[電解質]
電解質は特に限定されず、一般的な電解液、固体電解質のいずれも使用可能である。電解液としては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、イソプロピルメチルカーボネート、ビニレンカーボネート、4−トリフルオロメチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、1,2−ジ(メトキシカルボニルオキシ)エタン等のカーボネート類;1,2−ジメトキシエタン、1,3−ジメトキシプロパン、ペンタフルオロプロピルメチルエーテル、2,2,3,3−テトラフルオロプロピルジフルオロメチルエーテル、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン等のエーテル類;ギ酸メチル、酢酸メチル、γ−ブチロラ
クトン等のエステル類;アセトニトリル、ブチロニトリル等のニトリル類;N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド等のアミド類;3−メチル−2−オキサゾリドン等のカーバメート類;スルホラン、ジメチルスルホキシド、1,3−プロパンサルトン等の含硫黄化合物;又は上記の有機溶媒にさらにフッ素置換基を導入したものを用いることができる。通常は有機溶媒として、これらのうちの二種以上を混合して用いる。
[Electrolytes]
The electrolyte is not particularly limited, and either a general electrolytic solution or a solid electrolyte can be used. Examples of the electrolyte include propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, isopropyl methyl carbonate, vinylene carbonate, 4-trifluoromethyl-1,3-dioxolan-2-one, 1,2-di ( Carbonates such as methoxycarbonyloxy) ethane; 1,2-dimethoxyethane, 1,3-dimethoxypropane, pentafluoropropyl methyl ether, 2,2,3,3-tetrafluoropropyl difluoromethyl ether, tetrahydrofuran, 2-methyl Ethers such as tetrahydrofuran; esters such as methyl formate, methyl acetate and γ-butyrolactone; nitriles such as acetonitrile and butyronitrile; N, N-dimethylformamide, N, N Amides such as dimethylacetamide; carbamates such as 3-methyl-2-oxazolidone; sulfur-containing compounds such as sulfolane, dimethyl sulfoxide and 1,3-propane sultone; or a fluorine substituent further introduced into the above organic solvent Things can be used. Usually, two or more of these are mixed and used as the organic solvent.

上記電解液の中でも、実質的に飽和環状カーボネート(ただし、エチレンカーボネートの単独使用を除く)、又は飽和環状カーボネートと鎖状カーボネートとの混合溶媒からなる非水溶媒を採用することが好ましい。特に、これらの非水溶媒の中からいずれかを採用し、負極活物質としてハードカーボンを採用すると、ナトリウムイオン二次電池は優れた充放電効率及び充放電特性を持つ。必要に応じてリチウムイオン電池に用いられている既知の添加剤を用いてもよい。特に、フルオロエチレンカーボネート(FEC)は添加剤として好ましい。   Among the above electrolytic solutions, it is preferable to employ a non-aqueous solvent consisting essentially of a saturated cyclic carbonate (excluding the sole use of ethylene carbonate) or a mixed solvent of a saturated cyclic carbonate and a chain carbonate. In particular, when any one of these non-aqueous solvents is employed and hard carbon is employed as the negative electrode active material, the sodium ion secondary battery has excellent charge / discharge efficiency and charge / discharge characteristics. You may use the known additive currently used for the lithium ion battery as needed. In particular, fluoroethylene carbonate (FEC) is preferred as an additive.

ここで、「実質的に」とは、飽和環状カーボネートのみからなる非水溶媒(ただし、エチレンカーボネートの単独使用を除く)、飽和環状カーボネートと鎖状カーボネートとの混合溶媒からなる非水溶媒の他、充放電特性等のナトリウムイオン二次電池の性能に影響を与えない範囲で、他の溶媒を本発明に用いる上記非水溶媒に含んだ溶媒も含むことを指す。   Here, “substantially” means a non-aqueous solvent composed only of a saturated cyclic carbonate (excluding the single use of ethylene carbonate), a non-aqueous solvent composed of a mixed solvent of a saturated cyclic carbonate and a chain carbonate. In the range which does not affect the performance of the sodium ion secondary battery such as the charge / discharge characteristics, it means that the solvent includes the solvent contained in the non-aqueous solvent used in the present invention.

飽和環状カーボネートの中でもプロピレンカーボネートの使用が好ましい。また、混合溶媒の中でもエチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合溶媒、又はエチレンカーボネートとプロピレンカーボネートとの混合溶媒の使用が好ましい。   Among the saturated cyclic carbonates, use of propylene carbonate is preferable. Of the mixed solvents, it is preferable to use a mixed solvent of ethylene carbonate and diethyl carbonate or a mixed solvent of ethylene carbonate and propylene carbonate.

電解質として、電解液を採用した場合に使用可能な電解質塩は、特に限定されず、ナトリウム二次電池に一般的に用いられる電解質塩を使用できる。   As an electrolyte, an electrolyte salt that can be used when an electrolytic solution is employed is not particularly limited, and an electrolyte salt that is generally used for sodium secondary batteries can be used.

ナトリウム二次電池に一般的に用いられる電解質塩としては、例えば、NaClO、NaPF、NaBF、CFSONa、NaAsF,NaB(C,CHSONa、NaN(SOCF、NaN(SO、NaC(SOCF、NaN(SOCF等を挙げることができる。また、電解質塩として、前記Na塩の他、Li塩を用いても良い。なお、上記電解質のうち1種を用いてもよく、あるいは2種以上を組み合わせて用いてもよい。 Examples of the electrolyte salt generally used in sodium secondary batteries include NaClO 4 , NaPF 6 , NaBF 4 , CF 3 SO 3 Na, NaAsF 6 , NaB (C 6 H 5 ) 4 , CH 3 SO 3 Na, Examples thereof include NaN (SO 2 CF 3 ) 2 , NaN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 , NaC (SO 2 CF 3 ) 3 , NaN (SO 3 CF 3 ) 2 and the like. In addition to the Na salt, an Li salt may be used as the electrolyte salt. In addition, 1 type may be used among the said electrolytes, and may be used in combination of 2 or more type.

また、電解液中の電解質塩の濃度は特に限定されないが、上記電解質塩の濃度は3〜0.1mol/lであることが好ましく、1.5〜0.5mol/lであることがより好ましい。 The concentration of the electrolyte salt in the electrolytic solution is not particularly limited, but the concentration of the electrolyte salt is preferably 3 to 0.1 mol / l, and more preferably 1.5 to 0.5 mol / l. .

固体電解質としては、例えばポリエチレンオキサイド系の高分子化合物、ポリオルガノシロキサン鎖もしくはポリオキシアルキレン鎖の少なくとも一種以上を含む高分子化合物等の有機系固体電解質を用いることができる。また、高分子化合物に非水電解質溶液を保持させた、いわゆるゲルタイプのものを用いることもできる。また、NaS−SiS、NaS−GeS、NaTi(PO、NaFe(PO、Na(SO、Fe(SO(PO)、Fe(MoO等の無機系固体電解質を用いてもよい。 As the solid electrolyte, for example, an organic solid electrolyte such as a polyethylene oxide polymer compound, a polymer compound containing at least one of a polyorganosiloxane chain or a polyoxyalkylene chain can be used. Moreover, what is called a gel type which hold | maintained the nonaqueous electrolyte solution in the high molecular compound can also be used. Further, Na 2 S-SiS 2, Na 2 S-GeS 2, NaTi 2 (PO 4) 3, NaFe 2 (PO 4) 3, Na 2 (SO 4) 3, Fe 2 (SO 4) 2 (PO 4 ), Fe 2 (MoO 4 ) 3 or other inorganic solid electrolytes may be used.

[ナトリウム二次電池の構造]
本発明のナトリウム二次電池の構造としては特に限定されず、形態・構造で区別した場合には、積層型(扁平型)電池、捲回型(円筒型)電池等、従来公知のいずれの形態・構
造にも適用しうるものである。また、ナトリウムイオン二次電池内の電気的な接続形態(電池構造)で見た場合、(内部並列接続タイプ)電池及び双極型(内部直列接続タイプ)電池のいずれにも適用しうるものである。
[Structure of sodium secondary battery]
The structure of the sodium secondary battery of the present invention is not particularly limited, and when distinguished by form and structure, any conventionally known form such as a stacked (flat) battery, a wound (cylindrical) battery, etc.・ Applicable to structures. Further, when viewed in terms of electrical connection form (battery structure) in the sodium ion secondary battery, it can be applied to both (internal parallel connection type) batteries and bipolar (internal series connection type) batteries. .

以下、本発明について実施例を挙げて詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施例に何ら限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples. In addition, this invention is not limited to the Example shown below at all.

(実施例1)
原料としてNaCO、LiCO、TiO(平均粒径:25nm、アルドリッチ社製)を、モル比0.34:0.115:0.77となるように秤量した後、湿式ボールミルを用いて600rpm、12時間混合した。得られた混合物をペレット成型した後、空気雰囲気下850℃で0.5時間仮焼、900℃で24時間焼成を行った後、クエンチ処理することでNa0.68Li0.23Ti0.77(化合物1)を合成した。
化合物1のXRD解析の結果、空間群P6/mmcに帰属されるP2型層状構造を有することが確認された。化合物1のXRD測定結果を図1に示す。
Example 1
Na 2 CO 3 , Li 2 CO 3 , TiO 2 (average particle size: 25 nm, manufactured by Aldrich) as a raw material were weighed so as to have a molar ratio of 0.34: 0.115: 0.77, and then wet ball mill Was mixed for 12 hours at 600 rpm. After pellet-molding the obtained mixture, it was calcined at 850 ° C. for 0.5 hours in an air atmosphere and baked at 900 ° C. for 24 hours, and then quenched to obtain Na 0.68 Li 0.23 Ti 0. 77 O 2 (Compound 1) was synthesized.
As a result of XRD analysis of Compound 1, it was confirmed that it had a P2 type layered structure belonging to the space group P6 3 / mmc. The XRD measurement result of Compound 1 is shown in FIG.

本実施例の化合物1を用い、化合物1:PVdF(ポリフッ化ビニリデン):AB(アセチレンブラック)=8:1:1(質量比)となるように混合し、NMPを用いてスラリー化、集電体であるAlに塗布することで電極を作製した。電解液に1M NaClO/PC(プロピレンカーボネート)+FEC(フルオロエチレンカーボネート)(体積比:98:2)を用い、対極にNa金属を使用した電池を作製した。
電流密度10mA/gで0V−2Vの電圧範囲で充放電試験を実施した。40サイクルまでの充放電曲線を図2に示す。84mAh/gの充放電容量が得られた。初回不可逆容量は41mAh/gであった。この電池は40cycle以上繰返した後も容量劣化はほとんど見られなかった。
Using compound 1 of this example, compound 1: PVdF (polyvinylidene fluoride): AB (acetylene black) = 8: 1: 1 (mass ratio) was mixed, and slurried using NMP, current collection The electrode was produced by applying to body Al. A battery using 1M NaClO 4 / PC (propylene carbonate) + FEC (fluoroethylene carbonate) (volume ratio: 98: 2) as an electrolyte and using Na metal as a counter electrode was produced.
A charge / discharge test was performed in a voltage range of 0V-2V at a current density of 10 mA / g. The charge / discharge curve up to 40 cycles is shown in FIG. A charge / discharge capacity of 84 mAh / g was obtained. The initial irreversible capacity was 41 mAh / g. This battery showed almost no capacity deterioration even after repeated 40 cycles or more.

(実施例2)
実施例1で得られた化合物1を蒸留水中に含浸した後、80℃で1日乾燥させることで化合物2を得た。化合物2のXRD解析の結果、空間群P6/mmcに帰属されるP2型層状構造を維持していることが確認され、水溶液中でも取り扱える安定な化合物であることがわかる。化合物2のXRD測定結果を図3に示す。
(Example 2)
After impregnating compound 1 obtained in Example 1 in distilled water, compound 2 was obtained by drying at 80 ° C. for 1 day. As a result of XRD analysis of Compound 2, it was confirmed that the P2-type layered structure belonging to the space group P6 3 / mmc was maintained, and it was found that the compound was a stable compound that could be handled even in an aqueous solution. The XRD measurement result of Compound 2 is shown in FIG.

(実施例3)
原料としてNaCO、MgO、アナターゼ型TiO(平均粒径325mesh、アルドリッチ社製)を、モル比2:1:2となるように秤量した後、乳鉢を用いて混合した。混合物をペレット成型した後、空気雰囲気下850℃で30分仮焼、1000℃で24時間焼成することでNa2/3Mg1/3Ti2/3(化合物3)を合成した。化合物3のXRD解析の結果、空間群R−3mに帰属されるO3型層状化合物を主に含むことが確認された。化合物3のXRD測定結果を図4に示す。
化合物3を用いたことを除いて実施例1と同様に電池を作製した。充放電試験の結果、64mAh/gの容量が得られた。充放電曲線を図5に示す。初回不可逆容量は45mAh/gであった。この電池は20サイクル後も62mAh/gの容量を示し、cycle安定性に優れていることが確認された。
Example 3
Na 2 CO 3 , MgO, and anatase TiO 2 (average particle size 325 mesh, manufactured by Aldrich) were weighed so as to have a molar ratio of 2: 1: 2, and then mixed using a mortar. After pellet-molding the mixture, Na 2/3 Mg 1/3 Ti 2/3 O 2 (Compound 3) was synthesized by calcining at 850 ° C. for 30 minutes in an air atmosphere and firing at 1000 ° C. for 24 hours. As a result of XRD analysis of Compound 3, it was confirmed that it mainly contains an O3 type layered compound belonging to the space group R-3m. The XRD measurement result of Compound 3 is shown in FIG.
A battery was fabricated in the same manner as in Example 1 except that Compound 3 was used. As a result of the charge / discharge test, a capacity of 64 mAh / g was obtained. A charge / discharge curve is shown in FIG. The initial irreversible capacity was 45 mAh / g. This battery showed a capacity of 62 mAh / g even after 20 cycles, and was confirmed to be excellent in cycle stability.

(実施例4)
原料としてNaCO、MgO、アナターゼ型TiO(平均粒径:25nm、アルドリッチ社製)を、モル比2:1:2となるように秤量した後、乳鉢を用いて混合した。混合物をペレット成型した後、空気雰囲気下800℃で2時間仮焼、1000℃で6時間焼成することでNa2/3Mg1/3Ti2/3(化合物4)を合成した。化合物4
のXRD解析の結果、空間群R−3mに帰属されるO3型層状化合物を有することが確認された。化合物4のXRD測定結果を図6に示す。
化合物4を用いたことを除いて、実施例1と同様に電池を作製した。充放電試験の結果、74mAh/gの容量が得られた。初回不可逆容量は55mAh/gであった。この電池は4サイクル後も70mAh/gの容量を示し、cycle安定性に優れていることが確認された。充放電曲線を図7に示す。
Example 4
Na 2 CO 3 , MgO, and anatase TiO 2 (average particle size: 25 nm, manufactured by Aldrich) were weighed so as to have a molar ratio of 2: 1: 2, and then mixed using a mortar. After the mixture was formed into a pellet, Na 2/3 Mg 1/3 Ti 2/3 O 2 (Compound 4) was synthesized by calcining at 800 ° C. for 2 hours and firing at 1000 ° C. for 6 hours in an air atmosphere. Compound 4
As a result of XRD analysis, it was confirmed to have an O3 type layered compound belonging to the space group R-3m. The XRD measurement result of Compound 4 is shown in FIG.
A battery was fabricated in the same manner as in Example 1 except that Compound 4 was used. As a result of the charge / discharge test, a capacity of 74 mAh / g was obtained. The initial irreversible capacity was 55 mAh / g. This battery showed a capacity of 70 mAh / g even after 4 cycles, and was confirmed to be excellent in cycle stability. A charge / discharge curve is shown in FIG.

(実施例5)
実施例1で用いた化合物1を用い、電解液に1M LiPF/EC(エチレンカーボネート)+DMC(ジメチルカーボネート)、対極にLiを用いたことを除いて実施例1と同様に電池を作製した。充放電試験の結果、166mAh/gの容量が得られた。初回不可逆容量は73mAh/gであった。この電池は5サイクル後に142mAh/gを示し、容量低下が見られた。本結果より電解質としてLiイオンを含有する場合も負極として作動することが確認された。
(Example 5)
A battery was fabricated in the same manner as in Example 1 except that Compound 1 used in Example 1 was used, 1M LiPF 6 / EC (ethylene carbonate) + DMC (dimethyl carbonate) was used as the electrolyte, and Li was used as the counter electrode. As a result of the charge / discharge test, a capacity of 166 mAh / g was obtained. The initial irreversible capacity was 73 mAh / g. This battery showed 142 mAh / g after 5 cycles, and a decrease in capacity was observed. From this result, it was confirmed that when the Li ion was contained as the electrolyte, it acted as a negative electrode.

(比較例1)
アナターゼ型TiO(平均粒径:25nm、アルドリッチ社製)を用い、バインダーにポリアクリル酸を用いることを除いて実施例1と同様に負極電極を作製した。電解液に1M NaPF/PC(プロピレンカーボネート)を用い、対極にNaを試用した電池を作製した。充放電試験の結果、318mAh/gの初回充電容量が得られ、可逆容量は156mAh/gであった。初回不可逆容量は162mAh/gと大きい値を示した。この電池は20サイクル後に157mAh/gを示し、容量の低下は見られなかった。
(Comparative Example 1)
A negative electrode was prepared in the same manner as in Example 1 except that anatase TiO 2 (average particle size: 25 nm, manufactured by Aldrich) was used and polyacrylic acid was used as the binder. A battery was prepared using 1M NaPF 6 / PC (propylene carbonate) as the electrolyte and using Na as the counter electrode. As a result of the charge / discharge test, an initial charge capacity of 318 mAh / g was obtained, and the reversible capacity was 156 mAh / g. The initial irreversible capacity was as large as 162 mAh / g. This battery showed 157 mAh / g after 20 cycles and no reduction in capacity was observed.

Figure 2014238960
Figure 2014238960

本発明の金属酸化物を用いて作製した負極を備えたナトリウムイオン電池の用途は特に限定されず、公知の各種の用途に用いることが可能である。具体例としては、ノートパソコン、ペン入力パソコン、モバイルパソコン、電子ブックプレーヤー、携帯電話、携帯ファックス、携帯コピー、携帯プリンター、ヘッドフォンステレオ、ビデオムービー、液晶テレビ、ハンディークリーナー、ポータブルCD、ミニディスク、トランシーバー、電子手帳、電卓、メモリーカード、携帯テープレコーダー、ラジオ、バックアップ電源、定置
型電源、モーター、照明器具、玩具、ゲーム機器、時計、ストロボ、カメラ、ペースメーカー、電動工具、自転車・バイク用動力源、自動車用動力源、軌道車両動力源、人工衛星用動力源等を挙げることができる。
The use of the sodium ion battery provided with the negative electrode produced using the metal oxide of the present invention is not particularly limited, and can be used for various known uses. Specific examples include notebook computers, pen input computers, mobile computers, electronic book players, mobile phones, mobile faxes, mobile copy, mobile printers, headphone stereos, video movies, LCD TVs, handy cleaners, portable CDs, minidiscs, and transceivers. , Electronic notebook, calculator, memory card, portable tape recorder, radio, backup power supply, stationary power supply, motor, lighting equipment, toys, game equipment, clock, strobe, camera, pacemaker, power tool, power source for bicycles and motorcycles, Examples thereof include an automobile power source, an orbital vehicle power source, and a satellite power source.

Claims (6)

層状の結晶構造を有する金属酸化物であって、前記結晶構造が4価のTiを含む遷移金属層を有することを特徴とする、金属酸化物。   A metal oxide having a layered crystal structure, wherein the crystal structure has a transition metal layer containing tetravalent Ti. 組成式が下記式(I)で表されるものである、請求項1に記載の金属酸化物。
NaTi ・・・(I)
(式(I)中、x<1であり、0<a≦1/3、2/3≦b<1、0≦c<1/3、a+b+c=1である。AはLi及びMgから選ばれる少なくとも1種以上の元素であり、MはV、Cr、Fe、Mn、Co、Ni、Cu、Ca、Sn、及びZnから選ばれる少なくとも1種以上の元素であって、遷移金属層を構成するTiを置換しうるものである。)
The metal oxide according to claim 1, wherein the composition formula is represented by the following formula (I).
Na x A a Ti b M c O 2 ··· (I)
(In Formula (I), x <1, 0 <a ≦ 1/3, 2/3 ≦ b <1, 0 ≦ c <1/3, a + b + c = 1. A is selected from Li and Mg. And at least one element selected from V, Cr, Fe, Mn, Co, Ni, Cu, Ca, Sn, and Zn, and constitutes a transition metal layer Ti can be substituted.)
前記結晶構造が、P2型構造、O3型構造、又はP3型構造である、請求項1又は2に記載の金属酸化物。   The metal oxide according to claim 1 or 2, wherein the crystal structure is a P2-type structure, an O3-type structure, or a P3-type structure. 請求項1〜3の何れか1項に記載の金属酸化物を含むことを特徴とするナトリウムイオン電池用負極活物質   A negative electrode active material for a sodium ion battery, comprising the metal oxide according to any one of claims 1 to 3. 請求項4に記載のナトリウムイオン電池用負極活物質を含むことを特徴とするナトリウムイオン電池用負極。   A negative electrode for a sodium ion battery, comprising the negative electrode active material for a sodium ion battery according to claim 4. 請求項5に記載のナトリウムイオン電池用負極を備えることを特徴とするナトリウムイオン電池。   A sodium ion battery comprising the sodium ion battery negative electrode according to claim 5.
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